实验室陈光需教授团队：PtZn-ZnOx界面增强低电位苯甲醇电氧化高选择性制备苯甲酸

苯甲酸是一种重要的精细化学品，传统生产工艺依赖甲苯氧化，需高温高压，能耗高、提纯复杂且碳排放高。近年来，电催化苯甲醇氧化反应制备苯甲酸因其催化方式和反应条件温和备受关注。然而，目前电催化苯甲醇氧化仍然需要高电位，导致能耗大，副反应严重且催化剂稳定性差。因此，研究开发在低电位下高效电催化剂至关重要。

近日，华南理工大学发光材料与器件全国重点实验室的陈光需教授课题组利用PtZn-ZnOx界面的精准构建，实现在低电位（0.725 V）下苯甲醇电氧化高选择性制备苯甲酸，并对反应机理进行了深入的研究，相关研究成果有望拓展生物质电催化低碳高值化领域的应用。

本研究成功研制了一种新型PtZn-ZnOx电催化剂，能够在低电位下高效催化苯甲醇氧化反应（BAOR），突破传统催化剂的性能瓶颈。传统Pt基催化剂尽管可在低至0.4 V（vs RHE）的起始电位下运行，但仍面临电流密度低、苯甲酸选择性不足及易被中间产物（如CO）毒化失活等难题。针对这些问题，研究团队通过界面工程策略，采用浸渍法与H₂还原工艺制备出PtZn金属间化合物（IMA）纳米颗粒，其平均粒径为2.38 nm，表面富含PtZn-ZnOx界面，并通过像差矫正电镜和X射线衍射证实了(110)晶面的稳定暴露。这种独特的结构设计使催化剂在0.725 V（vs RHE）的超低电位下即可实现苯甲醇高效氧化，且苯甲酸选择性高达99.5%，与文献报道相比，反应电位大幅降低了0.6 V。

本研究的核心创新点在于通过界面协同效应优化催化路径。首先，PtZn合金化调控了Pt的电子结构，降低其d带中心，形成孤立的Pt活性位点，显著抑制CO吸附导致的失活。

图1.PtZn-ZnOx界面催化剂的设计合成

其次，界面中存在的不饱和配位Zn原子促进了苯甲醇和中间产物苯甲醛的吸附，并通过增强亲电性OH*的生成加速反应进程。本研究开发的PtZn-ZnOx界面作用机制可概括为三方面：一是电子结构优化，Zn的引入调整Pt的电子环境，增强抗毒化能力；二是不饱和Zn位点提供高活性界面，促进反应物吸附与活化；三是金属间化合物与ZnOx的协同作用稳定了纳米结构，确保循环稳定性。通过实验与理论模拟的结合，本研究不仅解决了低电位下催化活性与选择性的矛盾，还揭示了界面原子配位状态对反应动力学的关键影响，为生物质电催化低碳高值化领域的高效电催化剂的设计提供了新思路。

图2.苯甲醇在PtZn-ZnOx界面上的催化机制

相关研究成果以“Low-Voltage Electrooxidation of BenzylAlcohol to Benzoic Acid Enhanced by PtZn-ZnOx Interface”为题发表在Journal of the AmericanChemical Society上，其中通讯作者为陈光需教授，赵云副教授，裴安博士以及华东理工大学贾艳艳讲师，第一作者为刘人凤和涂文静硕士生。该研究工作得到了国家自然科学基金面上项目和珠江计划等科研项目的资助。

原文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.4c17193